钢管高性能混凝土压弯构件的静力性能(Ⅱ):机理分析及承载力

为配合辽宁省地方标准《钢管混凝土结构技术规程》的编制,对钢管高性能混凝土压弯构件中钢管和混凝土应力、应变等的分布规律展开研究。对钢管与混凝土相互作用力的研究表明,圆试件受压区的约束力较大,方试件钢管角部区域的相互作用力最大。所有试件中截面受压区的相互作用力最大。黏结强度和加载路径对钢管高性能混凝土压弯构件的静力性能影响都不大。普通钢管混凝土压弯构件的承载力计算式同样适用于钢管高性能混凝土压弯构件的承载力计算。钢管高性能混凝土压弯构件与普通钢管混凝土压弯构件在静力性能方面并无本质区别。     

圆截面钢管混凝土受弯构件试验研究

通过4个圆截面钢管混凝土受弯构件的试验研究，对其基本静力性能进行分析。结果表明，在本文试验参数范围内，圆截面钢管混凝土受弯构件的荷载一跨中挠度曲线可以划分为以下3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和增强阶段；所有试件均在跨中挠度达到大约1／200跨度时结束弹性阶段。环向应变沿截面圆周分布不均匀：纵向受拉最大点环向压应变最大，纵向受压最大点环向拉应变最大。从加载之初直到大约0．7倍极限承载力，纵向应变沿截面高度分布基本符合平截面假定。试件的屈服与钢管的纵向受拉屈服几乎同步发生。对于同一点，纵向受压则环向受拉，反之，纵向受拉则环向受压；纵向受拉点的钢管对混凝土没有约束作用。     

内配型钢方钢管混凝土构件压弯剪性能研究

为研究内配型钢方钢管混凝土构件压弯剪复合受力工作机理,完成10个内配型钢方钢管混凝土试件的压弯剪试验研究,考虑剪跨比、轴压比和型钢截面形式对构件承载力和破坏模式的影响。运用有限元对试验结果进行模拟,针对典型算例进行受力机理分析,并对影响水平承载力的不同因素进行参数分析和评估。结果表明：内配型钢方钢管混凝土压弯剪试件表现出良好的延性行为,钢管在受压侧产生明显的鼓曲变形,型钢与内部混凝土发挥着共同作用;弱轴加载试件的水平承载力比强轴加载试件平均降低13%,设置加劲肋后构件的水平承载力平均提高21%;整个加载过程中轴向荷载发生重分布,混凝土承担的水平荷载和轴向荷载最多;型钢与混凝土的相互作用力分布不均匀,受压区型钢翼缘与混凝土的相互作用更强。保持轴压比不变,当剪跨比小于0.8时,构件的水平承载力随着剪跨比的减小大幅提高;当轴压比不超过0.4时,轴力的存在可以提高构件的水平承载力。     

钢管高性能混凝土受弯构件的静力性能(Ⅱ):机理分析及承载力

研究钢管高性能混凝土受弯构件中钢管和混凝土应力、应变等的分布规律。对钢管与混凝土相互作用力的研究表明,圆钢管对混凝土有很好的约束作用,方试件的相互作用力主要集中在弯角区域,平板区域的相互作用力很小。黏结强度对于试件的弯矩-曲率曲线基本没有影响。普通钢管混凝土受弯构件的承载力计算式同样适用于钢管高性能混凝土受弯构件的承载力计算。钢管高性能混凝土受弯构件与普通钢管混凝土受弯构件在静力性能方面并无本质区别。     

压弯剪复合受力作用下带环向脱空缺陷的钢管混凝土构件力学性能研究

以剪跨比和脱空率为主要参数,对12根带环向脱空缺陷的钢管混凝土构件和2根无脱空对比构件在压弯剪复合作用下的力学性能进行试验,考察环向脱空缺陷对钢管混凝土压弯剪试件的破坏模式、荷载-位移曲线、极限承载力的影响。试验结果表明:试件的抗剪承载力随着脱空率的增大而显著降低,带缺陷试件的抗剪承载力随着剪跨比的减小而增大。通过带环向脱空缺陷的钢管混凝土构件在压弯剪复合作用下的有限元分析模型,对带缺陷试件的钢管与核心混凝土之间接触应力的发展情况进行模拟,界定了其受弯和受剪状态的界限剪跨比。     

碳纤维增强聚合物-方形截面钢管混凝土构件扭转性能试验研究

以横向CFRP约束系数、纵向CFRP增强系数和混凝土立方体抗压强度为主要参数,进行了18个CFRP-方形截面钢管混凝土(S-CF-CFRP-ST)构件扭转性能试验研究。试验结果表明,S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线对应试件受力的弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段;钢管和CFRP可以协同工作;纵向应变与横向应变均为拉应变,45°方向为压应变;构件的变形近似符合平截面假定。应用ABAQUS有限元分析软件模拟了S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线,计算结果与试验结果吻合良好。有限元参数分析结果表明,钢材屈服强度、混凝土强度、CFRP层数和含钢率的提高不改变S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线的形状;但钢材屈服强度或含钢率的提高可以显著提高受扭承载力,混凝土强度的提高对构件承载力有所提高,而CFRP层数的增加可使承载力略有提高;含钢率的提高可以提高构件弹性阶段的刚度。     

圆CFRP-钢管混凝土压弯构件静力性能试验研究

进行了32个圆CFRP-钢管混凝土压弯构件的试验研究。结果显示,构件的载荷-中截面挠度曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段,构件的破坏属于延性破坏。分析表明,从加载之初直到极限荷载,钢管和CFRP在纵向和环向都可以协同工作,环向应变沿截面周边分布不均匀;钢管纵向应变沿截面高度的分布基本符合平截面假定;纵向受压的钢管存在内力重分布过程,纵向受拉区钢管对核心混凝土的环向约束效果不显著;构件的挠曲线大致为正弦半波曲线。采用纤维模型法分析圆CFRP-钢管混凝土压弯构件的荷载-中截面挠度曲线,分析结果与试验结果吻合较好且偏于安全。     

钢管-双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

提出一种适用于超高层建筑底部楼层的钢管-双层钢板-混凝土组合剪力墙,通过5个剪跨比为2.5的一字形截面组合剪力墙试件的拟静力试验,研究组合剪力墙的抗震性能。试验结果表明：试件的破坏形态为压弯破坏,墙底部边缘构件矩形钢管管壁和钢板鼓曲、钢管断裂、混凝土压溃;矩形钢管混凝土约束边缘构件沿墙肢长度显著影响试件的变形能力和耗能能力;钢板含钢率基本不影响试件的变形能力;矩形钢管混凝土边缘构件内设置圆钢管可提高试件承载力,但对其变形能力影响不大。矩形钢管混凝土约束边缘构件沿墙肢长度为0.2倍墙截面高度、设计轴压比为0.45时,组合墙试件的屈服位移角不小于0.005 rad、极限位移角可达0.030 rad。提出组合墙正截面承载力的计算式,计算结果与试验值吻合较好,误差小于10%。     

Experimental study on torsional behavior of concrete filled CFRP-steel tube with square cross-section

以横向CFRP约束系数、纵向CFRP增强系数和混凝土立方体抗压强度为主要参数,进行了18个CFRP-方形截面钢管混凝土(S-CF-CFRP-ST)构件扭转性能试验研究。试验结果表明,S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线对应试件受力的弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段;钢管和CFRP可以协同工作;纵向应变与横向应变均为拉应变,45°方向为压应变;构件的变形近似符合平截面假定。应用ABAQUS有限元分析软件模拟了S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线,计算结果与试验结果吻合良好。有限元参数分析结果表明,钢材屈服强度、混凝土强度、CFRP层数和含钢率的提高不改变S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线的形状;但钢材屈服强度或含钢率的提高可以显著提高受扭承载力,混凝土强度的提高对构件承载力有所提高,而CFRP层数的增加可使承载力略有提高;含钢率的提高可以提高构件弹性阶段的刚度。     

钢管高性能混凝土轴压短柱的静力性能(Ⅱ):机理分析及承载力

研究钢管高性能混凝土轴压短柱中钢管和混凝土的应力、应变等的分布规律,发现圆试件中截面混凝土纵向应力在圆周方向均匀分布,而方试件中截面混凝土的纵向应力在弯角处最大。试件在受荷过程中,中截面钢管首先屈服,然后逐渐向试件两端发展。典型算例的分析结果表明,圆钢管对混凝土的约束作用好于方钢管的,圆钢管对混凝土沿圆周方向均匀约束,而方试件在截面弯角处的约束力最大。所有试件在中截面约束力最大。黏结强度对于试件的轴压承载力基本没有影响。普通钢管混凝土轴压短柱的承载力计算式同样适用于钢管高性能混凝土轴压短柱的承载力计算。钢管高性能混凝土轴压短柱与普通钢管混凝土轴压短柱在静力性能方面并无本质区别。     

内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱生命周期内的力学性能

为了研究内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱在生命周期内的受力机理,利用有限元软件ABAQUS建立该类短柱的计算模型,并与已有的相关试验结果进行对比。模型中将钢管初应力和长期荷载作为生命周期内的主要因素进行考虑,分析了内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱生命周期内的荷载-变形全过程曲线、跨中截面各部件纵向应力分布和钢材与混凝土之间的相互作用力; 考察了初应力系数、长期荷载比和含钢率对构件承载力和变形的影响规律。结果表明:考虑钢管初应力和长期荷载作用的内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱极限承载力与一次加载情况下相比变化不明显,但极限承载力对应的纵向应变增长84.2%; 在长期持荷阶段,核心混凝土发生卸载现象,其承担的荷载下降了30%左右,再加载阶段又继续承载; 钢管与混凝土之间的接触应力在中截面处最大,沿构件长度方向逐渐向两端减小; 随着钢管含钢率增大,构件极限承载力增大,变形减小,而型钢含钢率对构件变形影响较小; 随着初应力系数和长期荷载比的增大,构件纵向变形增大。     

钢管约束钢筋混凝土压弯构件滞回性能试验研究与分析

进行了4个圆钢管约束钢筋混凝土(CTRC)和4个方钢管约束钢筋混凝土(STRC)压弯构件滞回性能的试验研究,并进行了两个钢筋混凝土(RC)对比试件的试验研究。试验中的主要参数为轴压比(0.34、0.65和0.80)和混凝土强度等级(C30和C60)。试验结果表明,由于钢管对核心混凝土的有效约束,核心高强混凝土柱的承载力、延性和耗能能力得到了显著提高。随轴压比和混凝土强度的提高,CTRC压弯构件的受弯承载力提高;但轴压比和混凝土强度对试件的延性无明显影响。随轴压比和混凝土强度的提高,STRC压弯构件的受弯承载力提高,但延性下降。相同轴压比条件下,CTRC压弯构件的受弯承载力和延性明显优于STRC构件。根据试验结果,建议了钢管约束钢筋混凝土柱截面受弯承载力的计算方法。建立了钢管约束钢筋混凝土压弯构件的纤维模型数值计算方法,计算中采用随荷载的增加而不断增大钢管对核心混凝土的约束效应的方法,数值计算结果与试验结果吻合良好。     

哑铃形钢管混凝土压弯相关曲线分析

为研究哑铃形钢管混凝土压弯力学性能,基于4根圆形和4根哑铃形钢管混凝土构件的压弯试验,开展了有限元研究和参数分析。应用有限元软件ABAQUS建立了哑铃形和圆形钢管混凝土有限元模型,分析了两种截面钢管混凝土压弯构件破坏形态,验证了模型的正确性。通过对模型进行参数分析,探究混凝土强度、钢管强度、轴压比和长细比等参数对两种截面形式钢管混凝土压弯承载力和压弯相关曲线的影响规律。结果表明：两种截面形式构件的压弯承载力均随着轴压比的增大呈现先增大后减小的趋势,圆形截面和哑铃形截面构件的临界轴压比分别为0.2和0.4;混凝土与钢材强度等级的提升会使构件压弯承载力增大;而长细比的增大,则会降低构件的压弯承载力。在参数分析的基础上,推导出适合哑铃形钢管混凝土的压弯承载力建议公式,并验证了公式的准确性。     

轴压荷载下中空夹层钢管混凝土抗扭性能试验研究

以轴压比及截面尺寸为参数,对12个中空夹层钢管混凝土试件进行压-扭试验,并结合数值模型分析了扭转全过程截面剪应变开展及钢管与夹层混凝土相互作用力.结果表明:较小的轴向压力对极限抗扭承载力及扭转刚度均影响甚微,所有试件均表现出较好的延性.承载力受外钢管强度影响较大,受混凝土强度影响较小,夹层混凝土对组合抗扭强度提高的作用...     

不同受荷条件下脱空缺陷对钢管混凝土构件的承载力和刚度的影响分析

为了解脱空缺陷对钢管混凝土在不同受荷条件下的力学性能影响,将已有报道中不同受荷条件下(压弯、拉弯、压弯扭等)带脱空缺陷试件的承载力和刚度折减系数的变化规律进行比较,并对脱空的影响规律进行探讨。结果表明:在承受压弯荷载时,偏心受压为最不利荷载条件;轴压比和轴拉比分别为压弯荷载和拉弯荷载加载路径下影响带缺陷试件承载力的重要因素;滞回作用能加剧压弯荷载加载路径下的承载力折减;轴压比为0. 3时,脱空对压弯构件承载力和刚度的影响最小;压弯荷载对带缺陷构件承载力的影响比压弯扭荷载更为不利。     

带约束拉杆方形钢管混凝土短柱压弯承载特性

通过对2个不带约束拉杆和8个带约束拉杆方形钢管混凝土短柱试件的拟静力试验,研究带约束拉杆方形钢管混凝土短柱压弯承载力。采用带约束拉杆方形钢管混凝土短柱核心混凝土的本构关系,利用有限条带法对反复荷载作用下试件的骨架曲线进行数值计算,计算结果与试验结果吻合良好。并利用该方法分析钢管屈服强度、截面含钢率、混凝土强度及拉杆约束系数等参数对N/Nu-M/Mu曲线的影响规律,在此基础上提出带约束拉杆方形钢管混凝土短柱压弯承载力的简化计算式。运用简化算式及国内外技术标准分析构件的压弯承载力,简化式与试验结果吻合较好,而CECS 159∶2004《矩形钢管混凝土技术规程》没有考虑约束拉杆的作用,对构件的压弯承载力评估不足。     

钢管钢骨混凝土柱压弯性能试验研究

对5根钢管钢骨混凝土组合柱的压弯性能进行试验,研究不同轴压比和加载方向对组合柱承载力和变形的影响,并深入解析钢骨和钢管之间混凝土双重紧箍效应对承载力提高的工作机制,以及试件在受拉区和受压区紧箍力的分布规律。根据试验结果,采用N-M相关关系法确定钢管钢骨混凝土压弯构件的实用计算公式,计算值与试验值吻合较好。     

超大截面钢管混凝土柱分配梁构造节点下压弯构件承载试验研究

针对采用分配梁+内环板构造、荷载先作用在钢管管壁的1∶5缩尺超大截面钢管混凝土压弯构件进行了试验,研究其破坏模式和分配梁+内环板构造对荷载传递的影响,分析了管壁宽厚比、纵向加劲肋和轴压比对压弯构件力学性能的影响。试验结果表明:分配梁+内环板构造有效地保证了构件受力全过程中基本满足平截面假定;纵向加劲肋及管壁宽厚比的减小延后了钢管局部屈曲发生的时间,且纵向加劲肋的设置提高了试件的极限承载力;压弯构件试验值与中、美设计规范进行对比后得出,美国钢结构规范N-M简化计算曲线偏于保守;与中国规程相比,试验值接近于强度曲线,高于稳定曲线,小宽厚比试件压弯承载力更接近强度曲线,表明超大截面钢管混凝土压弯构件按照现行规程进行设计偏于安全。     

内配钢筋钢管混凝土构件轴心受拉性能研究

为研究内配钢筋钢管混凝土构件的轴拉性能,通过对9个试件进行轴拉试验,获得了试件的荷载-位移曲线,荷载-应变曲线和轴拉极限承载力等试验数据。结果表明:钢管混凝土构件在受拉荷载作用下,由于内部混凝土对外钢管环向收缩的约束作用,使其极限承载力相比空钢管提高约10%,内配钢筋在构件达到轴拉极限承载力时屈服。在试验基础上提出了用于分析轴心受拉构件的有限元模型,模型的计算结果与试验结果吻合较好。通过对比国内外相关设计规范规定的内配钢筋钢管混凝土构件的轴拉极限承载力的计算式,提出了该类型构件的轴拉承载力计算式,并将公式计算值与试验值进行了对比。对比结果表明:提出的轴拉承载力计算式与试验结果吻合较好。     

高温后矩形钢管混凝土双向压弯构件力学性能试验研究

设计了双向压弯构件试验加载和量测装置;对14根高温后矩形钢管混凝土双向压弯构件的残余力学性能进行了试验测试;并对温度、长细比、加载偏心角度、截面高宽比和套箍系数等参数进行了研究。研究发现,温度、长细比、加载偏心角度、套箍系数、截面高宽比是影响高温后矩形钢管混凝土双向偏压构件承载力及延性的主要因素,高温后该类构件仍有较高承载力,所有试件的位移延性系数平均值大于8,表明高温后矩形钢管混凝土双向压弯构件具有较好的延性。